细胞程序性死亡不同信号通路对心脏相关疾病的影响

辛庆龄，徐伟男，刘聪颖，李 悦，王 茎

（安徽中医药大学，合肥 230038）

细胞死亡的方式主要包括坏死和程序性死亡[1]（Programmed cell death，PCD）。区别于细胞坏死，PCD为生理性死亡。通过细胞内特定的信号通路而引发细胞主动性的死亡。在细胞程序性死亡时细胞发生皱缩、染色质凝聚、细胞膜不会消失、也不会引起炎症反应[2]。其主要特征表现为染色质DNA的有控裂解[3]。PCD的概念最早由KEER[4]等人提出，PCD有包括细胞自噬、细胞凋亡等多种形式。按照死亡机制与形态学的角度分为三类分别为：Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类[5]。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型细胞程序性死亡又分别被称为细胞凋亡、细胞自噬和副凋亡[6]。研究表明，心脏方面疾病如：心力衰竭、心肌梗死、心率失常等与心肌细胞程序性死亡过度或不足存在相关性[7-8]。探究信号通路对程序性死亡的控制作用，可以为治疗心脏方面疾病提供临床治疗新思路。

1 细胞程序性死亡的主要信号通路

1.1 Fas /Fas-L 系统

1.1.1 Fas/Fas-L系统的结构及分布 Fas广泛分布于各组织细胞当中，包括心脏、肾脏、肝脏等脏腑细胞当中[9]。Fas 基因位于第10号染色体的C24.1区，互补DNA长度为2 534 bp，相对分子质量为36 000的跨膜蛋白。Fas的分子结构包括胞质区、跨膜区和膜外区[10]。膜外区具有膜受体特征，由157个氨基酸残基组成。跨膜区处于整个分子结构中部，由17个氨基酸残基构成。在细胞质中有一个片段叫做“死亡域”（death domain，DD），它是由80～100个氨基酸序列组成。这段氨基酸序列直接介导细胞凋亡，在传递细胞凋亡信号中发挥重要作用[11]。

Fas-L（Fas的配体）是一种死亡因子，属于肿瘤坏死因子（TNF）亚家族。具有218个氨基酸，是一种位于细胞表面的Ⅱ型膜蛋白[12]。人类Fas-L基因相对分子质量为29kDa，位于第1染色体中。Fas-L也分为膜外区、跨膜区和胞质区。分子的C末端位于细胞之外，N末端位于细胞浆中。通过与靶细胞上受体结合而控制细胞。

1.1.2 Fas/Fas-L系统的作用机制 Fas系统介导细胞程序性死亡，传导死亡信号并形成通路。在细胞程序性死亡中，凋亡的信号传导方式已经相对明确。一般认为Fas-L细胞可以和血浆中的sFas和形成三聚体的活化形式。Fas细胞的死亡域结合蛋白（FADD）发生变化，FADD暴露的氨基酸的死亡区域与Caspase家族的蛋白酶前体（FLICE）相结合。Caspase再通过其他方式发生裂解或者活化，其裂解产物（P10和P20）成为有活性的半胱氨酸蛋白酶，从而刺激了同源家族的其他酶源（如：Caspase21、Caspase23、Caspase26、）。最终促进细胞降解或DNA片断化，形成细胞凋亡[13]。

Fas-L主要表现为激活T淋巴细胞和B细胞，T淋巴细胞受到刺激形成Fas-L。从而当Fas-L与靶细胞表面Fas结合后，可以向携带Fas的靶细胞传递凋亡信号，从而造成细胞凋亡[14]。

1.2 Bcl-2蛋白

1.2.1 Bcl-2蛋白结构及分布 Bcl-2家族（B-cell lymphoma-2）是癌基因之一，主要分布在内质网膜、核膜和线粒体膜上。其蛋白包含羧基末端跨膜区域和BH结构域（即BH1、BH2、BH3和BH4）。家族成员分为3大类型，分别是抗凋亡蛋白、促凋亡蛋白、促凋亡蛋白中的特殊成员。其中抗凋亡蛋白又被称为“效应者”，大多数包含BH结构域（如Bcl-2、Bcl-w）；促凋亡蛋白又被称为“保护者”，主要分布于细胞包浆中（如Bax、Bak）。促凋亡蛋白中的特殊成员也被称为“起始者”，因只含有BH3结构域所以又叫BH3-only[15]。在细胞凋亡过程中，Bcl-2家族信号通路并非单一发生作用，而是相互作用控制细胞凋亡，并与线粒体存在密切联系[16-17]。

1.2.2 Bcl-2蛋白作用机制 Bcl-2蛋白家族在促细胞凋亡中主要表现为两种方式：1）单一信号通路发挥作用。2）多个信号通路互相产生作用。前者通过受体途径，后者则与线粒体有关，作用机制也更为复杂[18]。因为线粒体外膜通透（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）可诱导存在于线粒体膜间隙中的促凋亡蛋白发挥作用。而在信号通路相互作用下Bcl-2蛋白家族直接参与调控MOMP，所以说MOMP是细胞凋亡的关键枢纽[19]。

1.3 mTOR信号通路

1.3.1 mTOR结构与分布 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）属于PI3K/Akt 下游的一种重要的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶家族[20]。由于分子组成不同mTOR分为mTOR1和mTOR2 其中mTOR1是由Raptor蛋白、PRAS40所组成，mTOR2是由Rictor蛋白、mSin、protor1/2所组成[20]。两种mTOR还对雷帕霉素的敏感程度不同。mTOR1可激活p70S6K和抑制真核生物4E-BP1的表达，对雷帕霉素反应敏感。mTOR2则通过控制细胞框架而导致细胞自噬，对雷帕霉素反应不敏感[21]。

1.3.2 mTOR作用机制 ULK1可以形成mTOR的底物复合物，而mTORC1能通过与ULK1结合而抑制自噬，在自噬中起到关键的作用[22]。ULK1在激活状态下有时也会与PI3K的II类复合物形成细胞自噬。PI3K/AKT和Ras/ERK能调控TSC1/2蛋白的磷酸化水平，从而抑制TSC1/2的表达并激活 mTORC1。然而LKB1可能会在葡萄糖饥饿的情况下被激活从而增加AMPK的磷酸化表达，进而抑制mTORC1的激活，促进哺乳动物细胞的自噬过程。除此之外，AKT和AMPK也能通过非TSC1/2依赖的相关途径参加mTORC1的调控过程。

1.4 Caspase信号通路

1.4.1 Caspase分布与结构 Caspase家族本质为蛋白酶的一种，其分子质量约为30～50 ku。具有特异酶切天冬氨酸和半胱氨酸蛋白酶的特征，分子由一大一小的亚基在N端组成[23]。Caspase家族分为启动型（Ⅰ型Caspase）和执行型（Ⅱ型Caspase），两者在功能和所处级联反应的位置有所不同。Ⅰ型Caspase处于整个Caspase级联反应的最上端，在其他因素的作用下能发生自我活化并激活下游活化。Ⅱ型Caspase通过改变细胞形态裂解细胞底物形成细胞凋亡[24]。此外caspases家族中还有一系列特定的成员负责协助细胞介导炎症和细胞凋亡，这类系列的Caspase主要包括 Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5、Caspase-13和Caspase-14[25]。

1.4.2 Caspase作用机制 在一般情况下以无活性的酶存在，当与配体结合后水解而活化。Caspase活化后根据凋亡信号的刺激不同活化类型分为外源性（死亡受体途径）与内源性（线粒体途径）[26]。死亡受体途径形成机制类似于上述Fas系统。线粒体途径则是收到细胞凋亡信号刺激后，细胞色素C由线粒体中被释放到细胞包浆中，此时细胞色素C与激活因子相结合通过半胱氨酸蛋白酶类的作用活化Caspase最终形成细胞凋亡。

2 细胞程序性死亡对心脏相关疾病的影响

2.1 程序性死亡与慢性心衰 Fas/ Fas-L系统作为影响程序性死亡的信号通路之一在慢性心衰的发病过程中也起到关键作用。Fas/ Fas-L系统可能通过激活TNF受体介导的信号转导通路，促进炎性因子（如：TNF-α，IL-2，IL-6）的表达，吸引并激活中性粒细胞产生大量氧自由基，从而加剧心肌局部的炎性反应[27]。在血管内皮细胞中，sFas-L是血管内皮炎症反应的保护性因子以减轻血管内皮的炎性反应[28]。研究发现病人血浆中 sFas的浓度与患者心功能之间呈现负相关关系。因此，sFas水平的反应对衡量患者慢性心衰的危急程度至关重要。Fas/ Fas-L系统在慢性心衰中参与免疫炎症性反应、心肌细胞的肥大增生等过程。从而说明Fas/Fas-L系统与慢性心衰直接的关系。

2.2 程序性死亡与心肌梗死 细胞死亡在心肌梗死缺血24 h即发生大量的心肌细胞死亡，之前研究对心肌梗死中细胞死亡的十分有限，但发现细胞凋亡在心肌梗死中发挥着作用，通过实验已证实，死亡受体通路与线粒体通路介导的细胞死亡的心肌梗死中起作用。发现心肌细胞凋亡的速率和Fas和Bax mRNA在心肌梗死中的表达活性也随之增加，表明Fas和Bax mRNA的表达在心肌梗死的发生中起重要作用[29]。现有的研究表明，心肌细胞凋亡影响心肌梗死的研究成为极具临床研究价值的方向，细胞程序性坏死的发现将可能为心脏疾病病理途径的研究和治疗提供新的方向，然而在体内区分坏死与细胞凋亡还是十分困难，这对于细胞程序性坏死在心脏疾病中的研究带来了很大挑战。

2.3 程序性死亡与心律失常 心脏正常的除极化顺序是开始于窦房结，结束于心室肌。心律失常会发生在这种除极模式紊乱时。这种紊乱可以由窦房结直接影响受损的心肌组织间接影响，并导致除极变得或快或慢或不规则。国外研究[30]心率失常患者的心脏中是否出现自噬现象。筛选符合条件的患者后获得了右心房附件的样本。结果显示电子显微照片发现大量自噬泡和自噬相关的标志性产物，证明心率失常伴随细胞自噬现象的发生。

3 小结

细胞程序性死亡近期来是研究的热点，通过抑制或者激活信号通路可以控制细胞程序性死亡，而细胞程序性死亡的不足或过度会引发心脏相关疾病。从Fas/Fas-L 系统、Bcl-2等信号通路这个方面入手保护心肌细胞，预防和治疗如慢性心衰、心肌梗死等疾病。但是其它作用机理还需进一步深入研究，若能准确进行精准控制心肌细胞程序性死亡，那么从靶向治疗或者预防心脏相关疾病具有深刻的临床意义。